JP3575689B2 - 屈折率摂動形成方法とグレーティングパターン形成方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光学要素を形成するための感光性材料の処理に関し、特に、光ファイバのような導波体と集積される受動光学素子の形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホトレジストなどとともに、少なくともシリカベースの光ファイバを含むいくつかの光学媒質が、適当なスペクトル範囲の電磁放射で露光されることによって修飾される。（このような放射は、一般に紫外線であるが、以下では「化学線」という。）すなわち、感光性光ファイバ（またはその他の光学媒質）を化学線で露光することにより、その媒質の露光部分において屈折率が変化する。例えばレーザからのほぼ単色光のビームの対を重ね合わせて干渉パターンを生成することにより、照射光に周期的パターンをつけることができる。波長λの２つのビームが交差角φで交差する場合、生じる干渉パターンはΛ＝０．５λｃｓｃ（φ／２）で与えられる周期Λを有する。このようなパターン化された放射場が、適当な感光性のコアを有する光ファイバまたはその他の光導波路に入射する場合、対応するパターンはコア屈折率における周期的（または準周期的）ゆらぎの形でコアにつけられる。このようなパターンは、通常「ブラッググレーティング」または「分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）」と呼ばれ、電磁放射に対するスペクトル選択性反射器として作用することが可能である。このようにして形成されるブラッググレーティングは、光ファイバレーザの終端反射器として特に有用である。このブラッググレーティングは、スペクトル選択性があるだけでなく、能動レーザ媒質を指示する同じ光ファイバ内に容易に組み込まれるため、有用である。
【０００３】
このブラッグ反射器を作成する技術は、米国特許第４，７２５，１１０号（発明者：ダブリュ．エイチ．グレン（Ｗ． Ｈ． Ｇｌｅｎｎ）他、発行日：１９８８年２月１６日）、および、米国特許第４，８０７，９５０号（発明者：ダブリュ．エイチ．グレン他、発行日：１９８９年２月２８日）に記載されている。ＤＢＲ終端キャビティを有する光ファイバは、ジー．エー．ボール（Ｇ． Ａ． Ｂａｌｌ）、ダブリュ．ダブリュ．モレー（Ｗ． Ｗ． Ｍｏｒｅｙ）、「連続同調可能シングルモードエルビウムファイバレーザ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔ．、第１７巻（１９９２年）第４２０〜４２２ページ、に記載されている。
【０００４】
ブラッググレーティングは、ファイバレーザの終端反射器以外のアプリケーションの受動光学素子として有用である。例えば、ブラッググレーティングは、波長分割多重およびその他の光信号処理アプリケーションのスペクトルフィルタとして有用である。光ファイバに形成されたブラッググレーティングからなる光フィルタが、米国特許第５，００７，７０５号（発明者：ダブリュ．ダブリュ．モレー他、発行日：１９９１年４月１６日）に記載されている。
【０００５】
同様の技術が、基板上のホトレジストのような感光性媒質にグレーティングパターンを形成するために有用である。この基板は、レジストの露光および現像の後、リソグラフィ加工される。
【０００６】
いくつかのアプリケーションでは、周期的ではなく準周期的なブラッググレーティングを設けることが好ましい。すなわち、グレーティングの周期（すなわち、伝播軸に沿って、屈折率プロフィールの連続する山または谷の間の直線距離）が一定でなく、伝播軸に沿って所定の様式で変化する。最も一般的な準周期的グレーティングは、その周期が、伝播軸に沿った位置の関数（代表的にはおよそ線形の関数）として増大または減少するものである。このようなグレーティングを「チャープ」グレーティングという。チャープグレーティングは、とりわけ、広帯域光反射器を形成する場合に有用である。光ファイバ通信レーザにおけるチャープグレーティングの応用例が、米国特許出願第０７／８２７，２４９号（発明者：アール．アダー（Ｒ． Ａｄａｒ）他、出願日：１９９２年１月２９日）に記載されている。グレーティング反射率スペクトルから不要な構造を除去するためのチャープの応用例が、「光学媒質における分布ブラッグ反射器を形成する方法（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅｄｉａ）」と題する米国特許出願（発明者：ヴィ．ミズラヒ（Ｖ． Ｍｉｚｒａｈｉ）他）に記載されている。
【０００７】
（ホトレジストに）チャープグレーティングを形成する従来の方法では、感光性媒質に入射する干渉ビームは平行にされていない。その代わりに、各ビームは所定の発散角で発散される。ビームの発散の結果、単一のうまく定義されたビーム間の交差角はない。その代わりに、干渉パターン内の位置に依存する（感光性媒質の伝播軸に沿って測定した）有効交差角がある。この結果、空間に依存する周期を有するグレーティングが形成される。この方法は、エックス．メイ（Ｘ． Ｍａｉ）他、「導波グレーティングを製造する簡単で多用途の方法」、Ａｐｐｌ． Ｏｐｔｉｃｓ、第２４巻（１９８５年）第３１５５〜３１６１ページに記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の方法には、周期が任意の空間依存性を有するグレーティングを形成するために使用することができないという欠点がある。その代わりにこの依存性は、ビームを発散させる方法によって利用可能な形しかとることができない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
われわれは、空間依存性周期を有するグレーティング（例えばブラッググレーティング）を形成する新しい方法を発見した。従来技術の方法とは異なり、この周期はグレーティングの相異なる部分で独立に指定することができる。その結果、空間依存性として広範囲の関数形を指定することができる。
【００１０】
第１の実施例では、本発明は、感光性媒質を露光することにより、ある軸（「光伝播軸」という）に沿ってグレーティングを形成する方法にかかわる。この軸の方向を「軸方向」という。この方法は、光化学波長λ、すなわち、媒質内に屈折率変化を引き起こすことが可能な波長を有する２つの同一直線上にない平行な電磁放射のビームを発生するステップを有する。この２つのビームは、交差角φで媒質の少なくとも一部に入射し、周期的干渉パターンが入射部分に生成される。この方法はさらに、干渉パターンの少なくとも局所的なコヒーレンスが保存されるように、媒質に対して干渉パターンの照射部分を前進させるステップを有する。この方法はさらに、前進ステップ中に、干渉パターンが空間的に変化する周期を有するように、積λ×０．５ｃｓｃ（φ／２）を変化させるステップを有する。
【００１１】
本発明の第２の実施例では、干渉する光化学ビームを発生し、それを感光性光学媒質に照射し、上記のように媒質に対して干渉パターンの照射部分を前進させることによってブラッググレーティングが形成され、その結果、媒質中に屈折率摂動が形成される。本発明の方法は、この実施例では、さらに、前進ステップ中に、結果の屈折率摂動のさまざまな点で受光される化学線の線量を変化させるステップを有する。この変化の結果、摂動の平均振幅は所定パターンに従って軸方向に変化する。ここで「平均」振幅とは、多くの（例えば１０個の）グレーティング周期にわたって平均化された空間依存性振幅をいう。
【００１２】
【実施例】
簡単のため、以下の説明は光ファイバ内にブラッググレーティングを形成することに向けられる。しかし、グレーティングは、直接の露光によって、または、ホトレジストの露光後通常のリソグラフィ加工をすることによって、他の光学媒質に形成することも可能である。これらの他の媒質も本発明の技術的範囲に含まれ、また、ブラッググレーティング以外にも、反射グレーティングのような他の種類のグレーティングも含まれる。
【００１３】
われわれは、単一の、並進可能鏡の並進が、ファイバまたはその他の感光性媒質に沿って、その位置合わせを保ちつつ、すなわち、干渉パターンの位相を変化させることなく、干渉パターンの照射部分の位置を前進することができるような設計の走査干渉計を使用して干渉パターンを生成することが有利であることを発見した。ファイバまたはその他の媒質は静止したままであり、鏡は例えばファイバの露光中に並進される。その結果、軸方向の照射部分自体よりも広い範囲を有する例えばファイバに屈折率摂動が容易に形成される。
【００１４】
このような露光を実行する現時点で好ましい干渉計２０を図１に示す。これは、米国特許第４，０９３，３３８号（発明者：ジー．シー．ビョークランド（Ｇ． Ｃ． Ｂｊｏｒｋｌｕｎｄ）他、発行日：１９７８年６月６日）に詳細に記載されている。この干渉計の光学配置は、レーザ源１１、並進可能鏡１３、回転可能鏡２２、ならびに鏡１４、１７、および２１を有する。干渉ビームは感光性媒質１８に収束する。感光性媒質１８は例えば光ファイバである。干渉パターンの照射部分は、並進可能鏡１３によってファイバに沿って（位相に影響を与えずに）移動される。干渉パターンの周期は、光化学波長によって、および、回転可能鏡２２の回転位置によって決定される。
【００１５】
ブラッググレーティングを形成する好ましい方法によれば、まず、露光される領域が直線になるようにファイバの位置が固定される。ファイバは、放射（一般的に紫外線）の有効な露光を受ける。さまざまの適当な紫外線源が利用可能であり、当業者には周知である。
【００１６】
例えば、われわれは、約２４５ｎｍで発光するエキシマポンプ周波数二重同調可能色素レーザが適当な露光源であることを発見した。このような露光源の使用は、米国特許出願第０７／８７８，７９１号（発明者：ディ．ジェー．ディジョヴァンニ（Ｄ． Ｊ． ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ）他、出願日：１９９２年５月５日）に記載されている。そこに記載されているように、この露光源は、高度にエルビウムをドープしたシリカベースの光ファイバにグレーティングを形成するのに有用である。例えば、このファイバは、毎秒２０パルスの反復レートで２ｍＪパルスで露光される。円柱レンズが、レーザ光を、長さ約０．５ｃｍ、幅１００〜２００μｍのバンドに集光する。代表的な露光は約３０秒間である。この方法によって、ブラッググレーティングが、例えば約０．５μｍの一定周期で容易に形成される。
【００１７】
上記のように、交差する光化学ビームによって形成される干渉パターンの周期Λは、積λ×０．５ｃｓｃ（φ／２）によって表される。所望の空間依存性を有する準周期的グレーティングを生成するため、この積が、並進鏡１３によって干渉パターンの照射位置を移動させつつ変えられる。この積は、波長λを変化させることによって、または、交差角φを変化させることによって、変えることが可能である。波長は、化学線源が同調可能レーザであれば、容易に変化させられる。例えば、約２３５ｎｍ〜約２４５ｎｍの実用的範囲にわたって発光するエキシマポンプ周波数二重色素レーザが容易に利用可能である。一定の交差角で、このような露光源によって、グレーティング周期は、グレーティングの長さにわたって約４％だけ変化することが可能である。
【００１８】
上記のように、干渉計を使用して、位相を変化させずに、すなわち、コヒーレンスが保存されるように干渉パターンの照射部分を移動させることが望ましい。しかし、波長がその移動とともに変化する場合、干渉パターンは短い距離にわたってのみコヒーレントである。代表的なグレーティングの設計は、１％未満しか波長が変動しないことを要求する。従って、干渉パターンは、波長変動があっても、一般的にグレーティング周期の数十倍にわたって（よい近似で）コヒーレントとなる。このような干渉パターンは「局所的にコヒーレントである」という。
【００１９】
グレーティングのチャープに対する制限の１つは、干渉する光化学ビームのスポットサイズによって課される。ブラッグ波長がこのサイズにわたって急に変化すると、スポットの移動によって、グレーティングの新たに書き込まれた部分が、直前に書き込まれた部分に非コヒーレントに加わり、グレーティングが少なくとも部分的に消失することになる。大まかな指針として、このことは、１スポットサイズＬｓｐｏｔにわたるブラッグ波長λＢの変動δλＢが次の関係式を満たす場合には回避することができる。
（δλＢ／λＢ）Ｌｓｐｏｔ ＜ （１／４）Λ
ただし、Λは公称グレーティング周期である。
【００２０】
化学線露光中に回転鏡２２によって交差角を変化させることは一般に望ましくない。鏡軸受と光学系の間の機械的結合によって、干渉パターンの安定性を許容できないほどに劣化させる振動を生じることがある。さらに、必要な波長シフトを生成する回転は小さすぎて実際に制御することができないことが多い。しかし、回転鏡２２の実際的代替手段がある。すなわち、交差角は、光学系の平面鏡のうちの１つを曲面鏡に置換することによって容易に変化させることができる（詳細は後述）。
【００２１】
例えば、鏡１３を並進させるために第１の電気力学的アクチュエータ（「並進アクチュエータ」）を使用し、光源の同調を変化させるために第２の電気力学的アクチュエータ（「周期設定アクチュエータ」）を使用する。並進アクチュエータおよび周期設定アクチュエータの両方を制御するために、マイクロプロセッサに基づくコントローラのようなプログラマブルコントローラを使用する。コントローラは、グレーティングの各部分の周期とその部分の軸方向の位置との間の所望の関数関係を与えるようにプログラムされる。
【００２２】
光学系に曲面鏡を含めることによって交差角を変化させる場合には、チャープグレーティングを簡単に形成することができる。グレーティング周期の空間依存性は、光学系内の鏡のうちの１つの反射面の形状によって決定される。図２に示すように、光学系の例えば鏡２１を曲面鏡３０によって置換することができる。（置換のために鏡２１を選択することは一意的ではない。曲面鏡は、光学系内の平面鏡のうちの鏡１３以外のいずれと置換することも可能である。）例えば、鏡３０が凸球面鏡または凹球面鏡である場合、生じる干渉パターンはほぼ線形のチャープを有することになる。
【００２３】
図２を参照すれば、鏡１３をｘ０からｘ１まで並進させるとビーム１６は角度２αだけ回転することは明らかである。その結果、ビーム１５とビーム１６の交差角の変化によって、局所グレーティング周期も同様に変化する。このように、チャープグレーティングは、一定の化学線波長で感光性媒質を露光しつつ鏡１３を並進させることによって簡単に形成される。例えば、チャープグレーティングは、曲率半径が約５０ｍの凸球面鏡を使用して形成することができる。公称ブラッグ波長が１．５μｍであるグレーティングを仮定した場合、鏡１３の１ｃｍの移動によって、ブラッグ波長の全シフトは約１９オングストローム、すなわち約０．１２％となる。
【００２４】
干渉ビームが鏡３０の曲率半径に比べて十分広い場合、鏡１３の並進がなくてもチャープグレーティングを形成することができることに注意すべきである。これは、鏡３０からのビームのうちの少なくとも１つを反射させることによってなされる。（他のビームは第２の曲面鏡によって反射させることもできる。）
【００２５】
本発明の方法によれば、ブラッググレーティングのさらに他の種類の変形も可能である。すなわち、図３を参照すれば、グレーティング４０の強さ（すなわち、屈折率摂動の振幅）は、化学線露光の時間および強度に関係づけられる。この強さは、化学線の線量を変調することによって軸方向の位置の関数として変調することができる。この線量は、鏡１３の並進速度を（例えばコントローラ４２により）制御することによって、光源１１の放射強度を制御することによって、または、（光源１１がパルス光源である場合）光源のパルス反復レートを制御することによって、容易に変調される。これらの３つの選択肢のうち、最後のものが現時点では好ましい。すなわち、例えばパルスエキシマポンプ色素レーザの反復レートは、マイクロプロセッサに基づくプログラマブルなコントローラ４４によって容易に制御され、指定した平均屈折率プロフィールを有するブラッググレーティングを生成する。（「平均」プロフィールとは、多くの（例えば１０個の）グレーティング周期にわたって平均した空間依存性屈折率を意味する。）平均屈折率プロフィールの修正は、とりわけ、ブラッググレーティングのスペクトル特性を改善するために有用である。このような応用例の１つが、例えば、前掲の「光学媒質における分布ブラッグ反射器を形成する方法（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅｄｉａ）」と題する米国特許出願（発明者：ヴィ．ミズラヒ（Ｖ． Ｍｉｚｒａｈｉ）他）に記載されている。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、空間依存性周期を有するグレーティング（例えばブラッググレーティング）を形成する新しい方法が実現される。従来技術の方法とは異なり、この周期はグレーティングの相異なる部分で独立に指定することができる。その結果、空間依存性として広範囲の関数形を指定することができる。
【００２７】
特許請求の範囲に発明の構成要件の後の括弧内の符号が記載されている場合は、構成要件と実施例と対応づけて発明を容易に理解させる為であり、特許請求の範囲の解釈に用いるべきのものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を実現するために使用される干渉計の概略図である。
【図２】図１の一部である。本発明の実施例によって、図１の平面鏡のうちの１つが曲面鏡で置換されている。
【図３】本発明の実施例を実現するシステムのブロック図である。このシステムは、感光性媒質への化学線の線量を制御する装置を有する。
【符号の説明】
１１ レーザ源
１３ 並進可能鏡
１４ 鏡
１６ 光化学ビーム
１７ 鏡
１８ 感光性媒質
２０ 干渉計
２１ 鏡
２２ 回転可能鏡
３０ 曲面鏡
４０ グレーティング
４２ コントローラ
４４ コントローラ

Claims (1)

  1. 軸方向を定める光伝播軸を有する感光性光学媒質に屈折率摂動を形成する方法において、
    ａ．波長λを有する電磁放射の２つの平行な同一直線上にないビームを発生するステップと、
    ｂ．２つのビームが角度φで交差するように前記媒質の少なくとも一部に前記ビームを照射することにより前記軸方向に周期的な干渉パターンを生成する照射ステップと、
    ｃ．干渉パターンの少なくとも局所的なコヒーレンスを保存しながら屈折率摂動が前記媒質に生成されるように、前記媒質に対して干渉パターンの照射部分を前記軸方向に移動させるステップと、
    ｄ．前記ステップｃの間に、生成される屈折率摂動の平均振幅が所定パターンに従って前記軸方向に変化するように、摂動の各点が受ける前記ビームの線量を変化させるステップと
    からなり、
    前記ビームはパルス放射源によって発生され、前記ステップｄは、該放射源のパルス反復レートを変化させることにより前記ビームの平均強度を変化させるステップを含む屈折率摂動形成方法。
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